Wie das Laserschneiden von Aluminium die Regeln der Metallverarbeitung veränderte

Das Laserschneiden von Aluminium war angesichts der hohen Wärmeleitfähigkeit und des optischen Reflexionsvermögens des Materials noch nie ein Kinderspiel. Aber in vielerlei Hinsicht hat der Faserlaser das Spiel verändert. Getty Images

Der Faserlaser veränderte das Laserschneiden, nicht nur wegen seiner Geschwindigkeit, sondern auch wegen seiner Wellenlänge. Die Wellenlänge des CO2-Laserstrahls von 10,6 Mikrometern war seit der Geburt der Laserschneidindustrie jahrzehntelang erfolgreich, aber bei Nichteisenmaterialien zeigte sich das optische Reflexionsvermögen. Dieser komplizierte Laser schneidet Nichteisenmaterial im großen Stil. Das Schneiden von Kupfer und Messing mit einem CO2-Laser war (und ist) selten, obwohl einige hartnäckige Hersteller dieses Kunststück geschafft haben.

Das Schneiden von Aluminium mit einem CO2-Laser ist natürlich weit verbreitet. Aber die Wellenlänge von 10,6 Mikrometern des CO2 ist immer noch nicht ideal, sodass der Vorgang ein wenig so ähnelt, als würde man einen kleinen runden Stift in ein größeres quadratisches Loch stecken. Es ist nicht unmöglich; Der Stift passt immer noch durch das Loch, aber die Befestigung erfordert einige Mühe.

Dann trat zu Beginn dieses Jahrhunderts der Faserlaser mit seiner 1-Mikrometer-Wellenlänge ins Spiel. Die meisten gängigen Metalle in der Fabrik absorbieren mehr und reflektieren weniger von dieser 1-Mikrometer-Wellenlänge als von der 10,6-Mikrometer-Wellenlänge. Tatsächlich schneidet Aluminium im Faserlaserbereich sehr gut, ebenso wie Kupfer und Messing.

Wenn also ein Hersteller mit dem Faserlaser einen sauberen Schnitt in Aluminium oder anderen Nichteisenmaterialien erzielt, was passiert dann genau in der Schnittfuge selbst? Um diese Frage zu beantworten, sprach The FABRICATOR im Air Liquide-Büro in Conshohocken, Pennsylvania, mit Charles Caristan, PhD, einem technischen Mitarbeiter und globalen Marktdirektor für Metallverarbeitung und -konstruktion. Caristan ist ein langjähriger Experte für Laserschneiden und Autor des von SME herausgegebenen Laser Cutting Guide for Manufacturing.

Wie Caristan erklärte, geht es bei der Rezeptur für das Schneiden von Nichteisenmetallen um viel mehr als nur um die Strahlwellenlänge. Weitere Komponenten sind Leistungsdichte, Strahlfokussierung, Schnittfugenbreite sowie die Art und Durchflussrate des Hilfsgases. Mischen Sie dies alles auf die richtige Art und Weise, und Sie erhalten die atemberaubenden Schnittgeschwindigkeiten und sauberen Schnitte des Faserlasers, selbst in einer Reihe von Nichteisenmaterialien, die früher als zu reflektierend galten, um mit einem CO2-Laserlichtstrahl geschnitten zu werden.

Beachten Sie, dass im Folgenden keine spezifischen Schneidparameter behandelt werden, die bei den meisten Schneidmaschinen vom Gerätehersteller festgelegt werden. Einige Hersteller verwenden diese Werkseinstellungen, andere passen sie je nach Anwendungsanforderungen an. Im Folgenden wird – in einfachen, „nicht-photonischen“ Begriffen – beschrieben, warum diese Parameter so funktionieren, wie sie funktionieren.

Wenn jemand sagt, dass etwas beim Laserschneiden unmöglich oder unpraktisch ist, besteht die Chance, dass ein Hersteller es irgendwo möglich und praktisch gemacht hat. Caristan erinnerte sich beispielsweise daran, vor Jahren einen Hersteller besucht zu haben, der mit einem 2,5-kW-CO2-Laser eine 0,125 Zoll dicke Kupferlegierung geschnitten hatte. „Der Hersteller hat das jahrelang gemacht“, sagte er. „Der Schneidkopf bewegte sich langsam und der Bediener musste den Schneidzyklus mittendrin unterbrechen, um ihn abkühlen zu lassen. Es war nicht schön, aber es war machbar.“

Das Laserschneiden von Nichteisenmaterialien hat in der Vergangenheit immer wieder mit Hindernissen zu kämpfen und diese zu überwinden. Wie Caristan erklärte, hatten die ersten Anwender des CO2-Lasers beim Schneiden von reflektierendem Material erhebliche Wachstumsschmerzen. Schon früh erkannten sie die Auswirkungen der geringen Absorptionseigenschaften von Aluminium, die zu Rückreflexionen führten.

„Der Laserschneidprozess war also nicht nur weniger effizient“, sagte Caristan, „sondern mussten sie sich auch mit der Rückreflexion durch die optischen Systeme auseinandersetzen, die bis zu den Hohlräumen der Laserresonatoren reichte und diese oft zerstörte. Das haben wir.“ Seitdem habe ich viel gelernt. Die meisten Maschinen, darunter auch Faserlasersysteme, verfügen über integrierte Optiken und numerische Steuerungen, die Rückreflexionen abschwächen oder verhindern.“

Werkzeug- und Formenbauer achten auf die Festigkeit und Schereigenschaften eines Materials. Ingenieure und Techniker, die Laserschneidparameter entwickeln, konzentrieren sich auf andere Bereiche, einschließlich der Absorptions- und Reflexionseigenschaften eines Materials; Schmelzpunkt; Viskosität des geschmolzenen Materials; Wärmeleitfähigkeit; und Materialoberflächenzustände, einschließlich Filme und Beschichtungen.

Das Oberflächenreflexionsvermögen von Metallen bei senkrechtem Einfall und Raumtemperatur (300 K) variiert mit der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls. Quelle: Laser Cutting Guide for Manufacturing von Charles Caristan.

„Die Schwierigkeit beim Schneiden von Aluminium besteht darin, einen sauberen Schnitt mit minimaler Schlacke zu erzielen“, sagte Caristan. „Mit dem richtigen Hilfsgas, der richtigen Zufuhr und dem richtigen Durchfluss können Sie die Entstehung von Schlacke minimieren.“

Dabei spielt die Viskosität eine Rolle. Jedes Metall hat bei der Schmelztemperatur eine bestimmte Viskosität, die jedoch bei weiterer Erwärmung des Metalls nicht konstant bleibt. Der Laser bringt Aluminium weit über seine Schmelztemperatur von etwas mehr als 1.200 Grad F hinaus. Wie Caristan in seinem Buch beschrieb, verringert sich die Viskosität von Aluminium tatsächlich um mehr als die Hälfte, wenn seine Temperatur zwischen seiner Schmelztemperatur und 1.328 Grad F ansteigt – ein Unterschied von nur etwas mehr als 100 Grad Fahrenheit, eine winzige Temperaturänderung in der Welt des thermischen Schneidens. Wenn das niedrigviskose Material abkühlt, verdoppelt sich seine Viskosität um mehr als das Doppelte, je näher es der Wiederverfestigung kommt – und es effektiv zu evakuieren, bevor es verfestigt wird, wird zu einer komplizierten Angelegenheit.

„Eine niedrige Viskosität trägt wesentlich zur Krätzebildung bei“, erklärte Caristan, „insbesondere wenn die Schmelztemperatur des Materials relativ niedrig ist, wie bei Aluminium.“

Einige Schneidherausforderungen hängen mit der Schmelztemperatur zusammen, insbesondere wenn es um die dünne Schicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) geht, die sich auf der Aluminiumoberfläche bildet, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt wird. Die Folie verhindert zwar weitere Korrosion, erschwert aber auch den Laserschneidprozess.

Aluminium schmilzt bei etwa 950 K oder etwas mehr als 1.200 F; Das Aluminiumoxid schmilzt bei etwa 2.000 K oder mehr als 3.000 F. „Der hohe Schmelzpunkt des Aluminiumoxidfilms, der sich auf der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiumtröpfchens bildet, führt dazu, dass er sich um das noch geschmolzene Tröpfchen herum sehr schnell verfestigt, sodass es sehr heiß ist.“ „Es ist wichtig, dass das Hilfsgas es schnell ausspült, bevor es sich wieder verfestigt“, erklärte Caristan. „Wenn es nicht schnell genug weggespült wird, bildet es am unteren Rand Stalaktiten, auch Krätze genannt.“ Er fügte hinzu, die gute Nachricht sei, dass Aluminiumschlacke im Vergleich zu Schlacke aus Materialien wie Edelstahl im Allgemeinen weich sei, so weich, dass viele Bediener sie mit dem Daumen wegkämmen könnten.

Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist um ein Vielfaches höher als die von Kohlenstoffstahl, und diese Wärmeleitfähigkeit beschleunigt den Wärmeverlust. Das heißt, die Wärme wird von der Schnittfuge weg in den Hauptkörper des Werkstücks geleitet. Je größer der Wärmeleitungsverlust ist, desto weniger Wärme verbleibt tatsächlich in der Schnittfuge und desto weniger effizient ist das Laserschneiden.

Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit tragen zu unterschiedlichen Schneideigenschaften zwischen den Sorten bei, insbesondere bei dickeren Materialien. Wie Caristan in seinem Buch veröffentlichte, weist Aluminium der Serie 6XXXX einen viel höheren Wärmeleitungsverlust auf als Aluminium der Serie 5XXXX. Die beiden schneiden in der Dicke ähnlich, bei dickerem Material jedoch sehr unterschiedlich.

In der Vergangenheit standen Bediener beim Schneiden von Aluminium mit einem CO2-Laser vor mehreren Herausforderungen, die das Schneiden ineffizienter machten: hohes Reflexionsvermögen des 10,6-Mikron-Lichtstrahls sowie die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium, die zu mehr Wärmeleitungsverlusten führte. Tatsächlich zwang der große Wärmeverlust viele Arbeitsgänge dazu, sich mit der Wärmeausdehnung des Blechs auseinanderzusetzen und manchmal das Schneidprogramm so zu schreiben, dass sich der Kopf abwechselnd von einem Quadranten des Blechs zum anderen bewegte, um die Wärmeeffekte auszugleichen.

Alles in allem haben die Leistungsdichte des Faserlasers und wiederum die Wellenlänge von 1 Mikrometer die Spielregeln wirklich verändert. Die thermischen Eigenschaften von Aluminium haben sich nicht verändert; es hat immer noch eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Es absorbiert aber auch mehr und reflektiert weniger Energie des 1-Mikrometer-Laserstrahls. In Kombination mit den hohen Leistungsniveaus, Leistungsdichten und Geschwindigkeiten, die der moderne Faserlaserstrahl bietet, hat dies die Laserschneidleistung erheblich verbessert.

Das Laserschneiden von Aluminium mit Stickstoff-Hilfsgas oder Druckluft aus der Werkstatt (was für dünnes Material geeignet ist) fördert eine ähnliche Schneidwirkung wie andere mit Stickstoff geschnittene Legierungen. Stark vereinfacht ausgedrückt handelt es sich dabei um ein Zusammenspiel zwischen der thermischen Energie des Strahls, der Vorschubgeschwindigkeit, der resultierenden Schnittfugenbreite und dem Hilfsgasstrom, der das geschmolzene Material aus der Schnittfuge spült. Perfektionieren Sie den Hilfsgasstrom so, dass er gut mit der Wärme (Fokus und Strahleigenschaften), der Schnittgeschwindigkeit und der Schnittfugenbreite harmoniert und Sie eine hochwertige Schnittkante mit minimalen Streifen und Schlacke erreichen.

Durch die Optimierung des Fokus, des unterstützenden Gasflusses und anderer Parameter werden Bruch und Schlacke minimiert. Bild mit freundlicher Genehmigung von Air Liquide.

Traditionell erfordert Aluminium normalerweise einen Strahlfokus, der tief unter der Oberfläche des Materials liegt, insbesondere wenn das Material dicker wird. Dadurch wird das Material aus der Unterseite der Schnittfuge herausgespült. Um zu verstehen, wie und warum dies geschieht, visualisieren Sie das Schmelzen des Materials an der Oberseite der Schnittfuge, diesmal mit dem Fokuspunkt auf oder in der Nähe der Materialoberfläche.

„Das Material schmilzt schnell und fließt dann durch die Schnittfuge, wo der Strahl divergiert und die Energiedichte quadratisch abnimmt“, sagte Caristan. Daher steht der Metallschmelze am Boden der Schnittfuge weniger Energie zur Verfügung, wodurch die Metalloxide zu Schlacke gefrieren.

Wenn Sie den Fokus tief unter die Materialoberfläche legen, ändert sich die Leistungsdichtesituation. Während das geschmolzene Material aus der Nähe der Materialoberfläche die Schnittfuge hinunterfließt, passiert es den hellsten Abschnitt des Strahls und bleibt daher flüssig, bis es am Boden evakuiert wird.

Der Balanceakt fängt gerade erst an. „Es gibt ein Zeitfenster für die Schnittgeschwindigkeit“, sagte Caristan. „Wenn man zu schnell schneidet, entsteht Schlacke. Wenn man aber zu langsam schneidet, entsteht auch Schlacke.“

Schlacke, die bei einem schnellen Schnitt entsteht, ist intuitiv; Das Hilfsgas hatte keine Zeit, das geschmolzene Material auszuspülen, bevor sich die Wärmequelle (der Strahl) nach vorne bewegte, sodass das geschmolzene Material am Boden des Schnitts als Schlacke „gefror“.

Aber was ist mit der Schlacke, die durch zu langsames Schneiden entsteht? Caristan sagte, er verfüge nicht über fundierte wissenschaftliche Belege dafür, „aber ich glaube, es hat mit der Wärmeeinwirkung auf das Metall und der Fähigkeit des Hilfsgases zu tun, das gesamte geschmolzene Metall auf einmal zu entfernen.“

Die Fahrgeschwindigkeit beeinflusst auch die Schnittfugenbreite. Eine langsamere Fahrgeschwindigkeit erzeugt eine breitere Schnittfuge, während ein schnellerer Strahl eine schmalere Schnittfuge erzeugt. „Wenn sich Ihre Schnittfuge verengt, fällt es Ihnen schwer, das Hilfsgas durchzulassen, und Sie erreichen nicht so viel Spülkraft“, sagte Caristan. Dies wiederum beeinträchtigt die Schnittqualität, einschließlich der Krätze.

Die Randstreifenbildung ändert sich neben anderen Variablen auch mit der Schnittgeschwindigkeit. Schneiden Sie Aluminium (und anderes Material) zu langsam, und Sie sehen tiefe Streifen. „Das ist ein Beweis dafür, dass ein Gasstrom flüssiges Metall drückt und wegspült“, sagte Caristan.

All dies spielt mit einer weiteren Größe zusammen, die nicht oft berücksichtigt wird: der Geschwindigkeit des aus der Düse ausströmenden Gases. Es ist Überschall und erzeugt wie alles, was sich schneller als Schall ausbreitet, kleine Stoßwellen. „Diese Stoßwelle kann den Hilfsgasfluss von der vorgesehenen Stelle ablenken“, sagte Caristan, „und sie kann die Gasmenge stören, die durch die Schnittfuge fließt.“

Wenn Stoßwellen oberhalb der Schnittfuge abgelenkt werden, bilden sie eine teilweise Barriere, die die Unterstützungsgassäule behindert, was wiederum die Gasdynamik im Schnitt verändert und die Fähigkeit des Gases beeinträchtigen könnte, das geschmolzene Metall effektiv zu evakuieren – so erhalten Sie schlechte Schnittqualität. Die Wahrscheinlichkeit hierfür steigt mit abnehmender Schnittfugenbreite.

Beim Schneiden von Aluminium kann eine unterschiedliche Schnittfugenbreite ein Problem sein. In diesem Beispiel ist die Schnittfuge auf der Oberseite breit (oberes Bild) und auf der Unterseite kaum sichtbar.

Da der Gasstrom Überschall ist, können Laserschneidebetreiber die Stoßwellen nicht beseitigen, aber sie können sie durch die richtige Einstellung des Düsenabstands weniger schädlich für den Schnitt machen. „Als Faustregel gilt, dass der Abstand gleich oder kleiner als der Durchmesser der Düsenöffnung sein sollte“, sagte Caristan. Wenn Sie höher gehen, verschärfen Sie die Ablenkung der Stoßwellen, wodurch möglicherweise weniger Gas erzeugt wird, um tatsächlich in die Schnittfuge zu gelangen.

Stellen Sie außerdem sicher, dass der fokussierte Strahl in der Düsenöffnung zentriert ist. „Sie müssen sicherstellen, dass die Mitte der Düsenöffnung immer perfekt mit der Mittellinie der Schnittfuge übereinstimmt“, sagte er. „Eine Fehlausrichtung zeigt sich bei jedem Wechsel der Schnittrichtung in einer unterschiedlichen Schnittleistung.“

Die Ausbreitung des fokussierten Strahls und die Energieverteilung sind komplexe Themen. Wenn Sie jedoch über die Fokussierung nachdenken, stellen Sie sich den Laserstrahl als zwei übereinander liegende Kegel vor. Wo sich die Spitzen der Zapfen treffen, liegt der Fokuspunkt. Je kürzer die Brennweite der Fokussieroptik, desto dicker sind die Kegel, desto kleiner ist die Fokusfleckgröße und desto größer ist die Leistungsdichte am Fokuspunkt.

Die Größe des Fokuspunkts ändert sich mit der Wellenlänge. Wenn der Strahl selbst also eine kürzere Wellenlänge hat, erhöht sich die Leistungsdichte am Fokuspunkt quadratisch. Diese hohe Fokussierbarkeit und wie gut verschiedene Metallsorten die Energie von Faserlaserstrahlen absorbieren, ist einer der Gründe, warum der Faserlaser so effektiv ist.

„Das ist einer der Gründe, warum es die Faustregel gibt, dass bei bestimmten Materialien und Materialstärken jedes Kilowatt eines Faserlasers eine Schneidleistung hat, die doppelt so hoch ist wie die eines CO₂-Lasers gleicher Leistung“, sagte Caristan.

Beim Laserschneiden erzeugt eine höhere Leistungsdichte mehr Wärmeenergie, und wie viel Energie hängt davon ab, wie gut ein Metall, einschließlich Aluminium, die Energie des Laserstrahls absorbiert. Aber das ist nur ein Teil der Gleichung.

Geschmolzenes Metall muss evakuiert werden. Eine kurze Brennweite der Fokussieroptik bedeutet, dass die Leistungsdichte dramatisch abnimmt, wenn man sich von der Fokuspunktposition entfernt. Dadurch wird die Schnittfuge schmaler und es bedeutet auch, dass der Fokuspunkt genau an der richtigen Stelle sein muss, insbesondere wenn das Metall dicker wird. Die schmale Schnittfuge kann es dem Hilfsgas erschweren, das geschmolzene Metall sauber abzuleiten.

„Eine Fokussierungsoptik mit kurzer Brennweite sorgt dafür, dass der Strahl schnell über den Fokuspunkt hinaus divergiert“, sagte Caristan. „Wenn man also am unteren Ende der Schnittfuge ankommt, ist die Leistungsdichte relativ gesehen sehr gering.“ Dies ist einer der Gründe dafür, dass die Einstellung einer tieferen Fokuspunktposition (innerhalb und nicht auf der Oberseite des Materials) bei dickerem Aluminium gängige Praxis ist.

Einer der Fortschritte, die die Branche in den letzten Jahren gemacht hat, besteht darin, die Auswirkungen dieses Rückgangs der Leistungsdichte zu verringern. Sie können die Physik von Laserstrahlen nicht ändern; Sie alle konvergieren in einem Fokuspunkt und divergieren von diesem. Dennoch können andere Strahleigenschaften geändert werden, um eine bessere Schnittkante zu erzielen.

Wie Caristan erklärte, bieten einige einen oszillierenden Fokus, der sein Verhalten an die Materialstärke anpasst. Andere ändern die Energieverteilung oder den Modus des Strahls je nach Materialqualität und -dicke. Beispielsweise hat ein Strahl im Gaußschen Modus mit konzentrierter Energie im Zentrum, die sich über das Strahlprofil verteilt, eine geringere Energiedichte außerhalb des Zentrums, was zu einer schmalen Schnittfuge führt. Eine Donut-Verteilung konzentriert die Energie um den Strahlumfang herum und hält die höchste Energie näher an den Wänden des Schnitts aufrecht.

Aluminiumschlacke ist so weich, dass sie oft mit dem Daumen des Bedieners weggekämmt werden kann.

Aber auch hier ist die Energie des Strahls nur die halbe Miete; die Wirksamkeit des Hilfsgasflusses ist die andere Hälfte. Dabei hat die Düsentechnik eine wichtige Rolle gespielt. Manche Düsen verfügen mittlerweile tatsächlich über Bauteile, die die Werkstückoberfläche berühren. Dadurch wird die Verschwendung von Hilfsgas reduziert, das nie in die Schnittfuge gelangt, was insbesondere bei der schmaleren Schnittfuge, die der Faserlaser erzeugt, ein Problem darstellt.

„In einer typischen Düse dehnt sich der Gasstrom aus, sobald er die Öffnung verlässt“, sagte Caristan, „und ein großer Teil davon sieht nie die Schnittfuge. Mit diesen Touch-Düsen, die die Werkstückoberfläche berühren, wird weniger Gas verschwendet.“ die Werkstückoberfläche und mehr Gas gelangt direkt in die Schnittfuge.“

Eine Werkstatt, die einen Laser zum Sauerstoffschneiden von dickem Weichstahl verwendet, nutzt die chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Eisen. Beim Schneiden von dickerem Aluminium und anderen Nichteisenmaterialien mit Stickstoff kommt es darauf an, das Material sauber zu schmelzen und zu evakuieren.

Caristan beschrieb einen „idealen“ Laseraufbau, bei dem Hilfsgas perfekt laminar in den Schnitt strömt, mit einem Strahl, der Material sauber entfernt und wegspült – kein vorzeitiges „Einfrieren“ am Boden (Schlacke) oder an der Kante (Streifen). . Die Überschall-Stoßwellen sind vorhanden, aber sie bewegen sich so, dass sie nicht abgelenkt werden oder den Gasfluss in die Schnittfuge behindern.

Heutzutage schneiden Hochleistungslaser außerordentlich schnell, aber die hohe Geschwindigkeit hat keinen Einfluss, wenn die resultierenden Teile nachbearbeitet oder verschrottet werden müssen. Die Branche hat große Fortschritte dabei gemacht, genau zu verstehen, wie der Laser Metall schneidet, und die Arbeit geht weiter. Je besser das Verständnis wird, desto bessere Schnittparameter können erzielt werden und desto größer sind die Chancen des Bedieners, beim ersten Versuch ein sauber geschnittenes Teil zu erzielen.

Neue Düsentechnologien, einschließlich der Touch-Düse, führen zu einer geringeren Verschwendung von Hilfsgas auf der Werkstückoberfläche. Foto mit freundlicher Genehmigung von Air Liquide.